乘用車懸架系統(tǒng)新技術(shù)分析(上)

◆文/江蘇 高惠民

懸架是汽車上的一個(gè)重要總成，它將車身與車輪彈性地連接起來，兩者保持恰當(dāng)?shù)膸缀侮P(guān)系。其主要任務(wù)是在車輪和車身之間傳遞所有的力和力矩，緩沖由路面不平傳給車身的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，隔離來自路面、輪胎輸入的噪音，控制車輪運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，懸架性能的優(yōu)劣不僅決定了汽車乘坐舒適性(平順性)和操縱穩(wěn)定性，還關(guān)系關(guān)系著汽車的動(dòng)力性發(fā)揮，平均技術(shù)速度的的高低，特別還關(guān)系著承載系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)的動(dòng)載。

一、懸架性能與車輛運(yùn)動(dòng)模式

車輛運(yùn)動(dòng)及車輛乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性由懸架性能所決定。懸架抗俯仰性能決定了車身俯仰角運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和車輛叢向載荷轉(zhuǎn)移率，懸架抗側(cè)傾性能決定了車身側(cè)傾角響應(yīng)和車輛側(cè)向穩(wěn)定性。另外，懸架的垂向振動(dòng)特性直接決定了車身的垂向跳動(dòng)響應(yīng)和乘坐舒適性，懸架側(cè)傾角剛度及阻尼在前后車軸的分配，間接影響車輛的乘坐舒適。上述懸架的四個(gè)性能由懸架剛度和懸架阻尼特性共同決定，又分別對(duì)應(yīng)汽車行駛中發(fā)生的4種運(yùn)動(dòng)模式，側(cè)傾運(yùn)動(dòng)(Roll)、俯仰運(yùn)動(dòng)(Pitch)、垂向跳動(dòng)(Bounce)和翹曲運(yùn)動(dòng)(Warp)，如圖1所示。

圖1 汽車懸架運(yùn)動(dòng)4種模式

這4種運(yùn)動(dòng)模式相互耦合影響，使得采用傳統(tǒng)被動(dòng)懸架系統(tǒng)就無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)這4種運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，也就無法同時(shí)兼?zhèn)渥罴殉俗孢m性和最優(yōu)操縱穩(wěn)定性。因此，針對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)模式，現(xiàn)代車輛越來越多采用懸架彈簧剛度和懸架減振阻尼可調(diào)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)和半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。

二、懸架構(gòu)件之彈性元件

汽車懸架構(gòu)件是懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)。一個(gè)完整的懸架總成，其組件構(gòu)成如圖2所示：彈性元件(彈簧)—吸收來自路面的沖擊。阻尼元件(減振器)—通過限制彈簧的振動(dòng)來改善乘坐的舒適性。穩(wěn)定器(橫向穩(wěn)定桿或側(cè)傾穩(wěn)定桿)—防止車輛橫向擺動(dòng)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)—使上述部件保持就位和控制車輪的縱向或橫向運(yùn)動(dòng)。

圖2 汽車懸架構(gòu)件組成

其中彈簧也是懸架中“承載”元件，由彈簧支撐的車身重量稱為車輛懸掛質(zhì)量(簧上質(zhì)量)，車輪和車軸以及不是彈簧支撐的汽車其他部件稱為非懸掛質(zhì)量(簧下質(zhì)量)。如圖3所示。

原則上應(yīng)使非懸掛質(zhì)量盡量小，這樣才能將非懸掛質(zhì)量對(duì)振動(dòng)特性(車身固有頻率)的影響降至最小。同時(shí)非懸掛質(zhì)量的減小也降低了慣量所產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷，大大改善懸架的響應(yīng)特性，明顯提高乘坐舒適性。另外懸掛質(zhì)量和彈簧的特征參數(shù)(彈簧剛度)，確定了車身固有頻率，懸掛質(zhì)量較大或彈簧較軟，車身固有頻率就低一些，而彈簧的行程(振幅)就大。懸掛質(zhì)量較小或彈簧較硬，車身固有頻率就高一些，而彈簧的行程(振幅)就小。試驗(yàn)結(jié)果表明如果車身固有頻率超過1.5Hz時(shí)，會(huì)使乘坐舒適性惡化，超過5Hz，車輛行駛會(huì)強(qiáng)烈振動(dòng)。

汽車懸架的彈性元件分類：鋼質(zhì)彈簧、空氣彈簧、橡膠彈性體。轎車上普遍采用螺旋鋼質(zhì)彈簧懸架，空氣彈簧懸架過去多用在商用車上，由于其本身的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在越來越多的乘用車開始采用管狀氣囊式空氣彈簧懸架了?？諝鈶壹苁且环N可調(diào)節(jié)式懸架，除能實(shí)現(xiàn)車身底盤高低自動(dòng)調(diào)節(jié)水平外，還具有下列優(yōu)點(diǎn)：①由于空氣彈簧內(nèi)的壓力根據(jù)載荷來調(diào)整，因此彈簧的剛度與懸掛質(zhì)量就會(huì)成比例變化，車身固有頻率和乘坐舒適性與載荷無關(guān)。并且彈簧靜態(tài)壓縮量與載荷保持恒定，這樣就可以大大減小車輪拱罩內(nèi)為車輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)留空間，提高車輛總體空間利用，如圖4所示。②車身支承在較軟的彈簧上，提高了乘坐舒適性。③不論載荷變化，均能保證彈簧壓縮和回彈行程不變，使車輛離地間隙不變。④加載時(shí)不需變動(dòng)車輪外傾角和前束。⑤不會(huì)惡化車輛的風(fēng)阻系數(shù)與外形。而且在車輛高速行駛，由于車身自動(dòng)下沉，降低了空氣阻力，改善了行駛動(dòng)力性。

圖3 懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量

圖4 彈簧壓縮量與車輛載荷恒定

管狀氣囊式空氣彈簧由上端蓋、管狀氣囊、活塞(下端蓋)、張緊環(huán)構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 與減振器同軸布置型空氣彈簧結(jié)構(gòu)

氣囊內(nèi)外保護(hù)層采用優(yōu)質(zhì)彈性材料制成，這種材料能滿足各種氣候要求和耐機(jī)油要求。優(yōu)質(zhì)彈性材料和尼龍制成織物芯層(高強(qiáng)度支架)使得管狀氣囊具有良好的開卷特性和反應(yīng)靈敏性。所要求特性在-35℃～+90℃的范圍內(nèi)均可以得到滿足。上端蓋和活塞之間的管狀氣囊由金屬張緊環(huán)夾緊，氣囊在活塞上伸展。根據(jù)車橋設(shè)計(jì)形式，空氣彈簧與減振器可以分開布置，或者與減振器組合在一起同軸布置，如圖6所示是空氣彈簧與減振器可以分開布置形式。

圖6 空氣彈簧與減振器分開布置

空氣彈簧的承載力與其內(nèi)部的壓力和有效作用面積有關(guān)，一方面，通過改變氣囊內(nèi)的壓力來靜態(tài)地(車身不動(dòng))改變承載力，如圖7所示。

因?yàn)檩d荷不同，充入氣囊的壓力不同，就會(huì)有相應(yīng)的彈簧特性曲線和彈簧剛度，彈簧剛度的變化率與車身重量的變化率是相同的，這樣就可以保證與行駛性能相關(guān)的車身固有頻率保持不變，轎車空氣懸架是按照1.1Hz的車身固有頻率來進(jìn)行匹配的。另一方面，空氣彈簧的原理決定了它的特性曲線是逐級(jí)上升的，彈簧特性曲線的走向(平坦/傾斜)由彈簧容積來決。彈簧容積大，其特性曲線就平坦(軟彈簧)；彈簧容積小，其特性曲線就較陡(硬彈簧)。通過改變活塞的截面(空氣彈簧活塞有效作用直徑就是管狀氣囊褶皺最低點(diǎn)的直徑)，來影響彈簧特性曲線的走向，從而改變了空氣懸架的承載力。如圖8所示。

圖7 空氣彈簧內(nèi)壓力與車輛承載力

圖8 空氣彈簧容積與車輛載荷力

三、懸架構(gòu)件之阻尼元件

在汽車懸架系統(tǒng)中，如果只有彈性元件而沒有阻尼元件，那么車身的振動(dòng)將會(huì)永無休止地延續(xù)下去。使汽車的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性變壞，為了盡可能快地消除懸架所吸收的振動(dòng)能量，懸架設(shè)計(jì)必須考慮帶有衰減振動(dòng)的阻尼力元件。汽車懸架中廣泛采用的阻尼元件就是內(nèi)部充有液體的液壓減振器，它并聯(lián)在懸架彈簧中。當(dāng)車身和車輪振動(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔產(chǎn)生的摩擦和液體的黏性摩擦就會(huì)形成減振阻尼力，其將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并散發(fā)到空氣中去，實(shí)現(xiàn)衰減振動(dòng)的目的。在確定減振器的阻尼力特性時(shí)，必須考慮到車輛乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性等因素。造成乘坐舒適性與操縱穩(wěn)定性相矛盾的因素有很多，阻尼力特性也是其中之一。若重視車輛行駛操縱穩(wěn)定性而將阻尼特性設(shè)定較高，有損害乘坐舒適性的傾向，相反，若設(shè)定過低。則車輛的穩(wěn)定性較差。因此，根據(jù)車輛規(guī)格使兩方面適當(dāng)?shù)氐玫絽f(xié)調(diào)以進(jìn)行選擇，是特性選擇的要點(diǎn)。以阻尼系數(shù)比表示車輛的阻尼特性時(shí)，其平均值為：式中C-減振器的阻尼系數(shù)，是減振器阻尼力-速度特性曲線的斜率。 Cc-懸架系統(tǒng)的臨界阻尼系數(shù)。K—懸架彈簧的剛度。W-所承受的懸掛質(zhì)量。G-加速度。

阻尼系數(shù)比是評(píng)價(jià)懸架性能好壞的重要參數(shù)之一，是懸架“軟”或“硬”的標(biāo)志，也是振動(dòng)衰減快慢的標(biāo)志。為緩沖由不平路面?zhèn)魅氲南蛏蠜_擊，減振器的回彈(拉伸)阻尼力一般大于壓縮阻尼力，其值在6比4-8比2。

對(duì)懸架系統(tǒng)減振器所要求的阻尼力如圖9所示。

圖9 減振器要求阻尼力作用范圍

即使減振器運(yùn)動(dòng)活塞速度相同，根據(jù)其行駛條件，其阻尼力也有所不同。因此，采用了根據(jù)各種行駛條件可變阻尼力機(jī)構(gòu)。通常，在良好路面行駛時(shí)，阻尼力設(shè)計(jì)得較低，可確保乘坐舒適性。而在急轉(zhuǎn)彎，快速起步及急制動(dòng)時(shí)，通過提高阻尼力可減少車身姿態(tài)的變動(dòng)。在凸起或不平路面上行駛時(shí)通過提高阻尼力，可快速吸收車身的振動(dòng)，減少輪胎抓地力的變化?？勺冏枘崃C(jī)構(gòu)由阻尼力可變減振器，電子控制器，各種傳感器及各種阻尼力轉(zhuǎn)換促動(dòng)器構(gòu)成，如圖10所示是阻尼力控制功能。

圖10 減振器阻尼控制功能

為了滿足阻尼力可變要求，阻尼力可變減振器在常規(guī)液壓減振器基礎(chǔ)上增加了調(diào)整阻尼力的附加功能，主要附加功能除了空氣彈簧功能系統(tǒng)之外，近年來還有使用氣動(dòng)減振控制(PCD減振器)；比例電磁閥(或步進(jìn)電機(jī))調(diào)整阻尼力減振器以及磁流變液體減振器，

1.PDC減振器

帶有自動(dòng)調(diào)平機(jī)構(gòu)的奧迪A6后空氣懸架以及奧迪四輪驅(qū)動(dòng)SUV車的四級(jí)空氣后懸架都裝有PDC減振器。PDC減振器構(gòu)造如圖11所示，PDC減振器阻尼力特性如圖12所示。

這種減振器阻尼力的變化是通過一個(gè)單獨(dú)的PDC閥來實(shí)現(xiàn)的。該閥集成在減振器內(nèi)，它用一根軟管與空氣彈簧氣室相連?？諝鈴椈傻膲毫?該壓力與載荷成比例)作為可調(diào)參數(shù)來控制PDC閥上的可變節(jié)流口，這影響了減振器內(nèi)的液壓油流動(dòng)阻力，因而也影響了回彈和壓縮時(shí)的阻尼力。為了平衡空氣彈簧中不希望出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力變化(壓縮和回彈狀態(tài))，PDC閥的空氣接口上裝有一個(gè)節(jié)流閥。工作腔1通過一個(gè)小孔與PDC閥相連，當(dāng)空氣彈簧壓力較小時(shí)(空載或很小的部分負(fù)荷)，PDC閥所形成的液壓油流動(dòng)阻力小，使一部分減振液壓油流過阻尼閥，于是阻尼力就減小。PDC閥的流動(dòng)阻力與控制壓力(空氣彈簧壓力)有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，阻尼力由相應(yīng)的阻尼閥和PDC閥形成的流動(dòng)阻力來決定。

①氣彈簧壓力較小時(shí)的伸長過程：活塞被拉著向上運(yùn)動(dòng)，一部分油液流過活塞閥，另一部分油液通過工作腔1內(nèi)的孔流往PDC閥。由于控制壓力(空氣彈簧壓力)及油液流過PDC閥的阻力變小，因而減振器阻尼力就減小，如圖13所示。

圖11 PDC減振器結(jié)構(gòu)

圖12 PDC減振器阻尼力特性

圖13 空氣彈簧壓力較小時(shí)減振器伸長過程示意圖

②空氣彈簧壓力較大時(shí)的伸長過程：由于控制壓力(空氣彈簧壓力)及油液流過PDC閥的阻力增大，大部分油液(取決于控制壓力)必須流過活塞閥，使得減振器阻尼力就增大。如圖14所示。

③空氣彈簧壓力較小時(shí)的壓縮過程：活塞被向下壓，阻尼力由底閥和油液流過該閥的阻力所決定?；钊麠U壓出的油液一部分經(jīng)底閥流入儲(chǔ)油腔。另一部分油液經(jīng)工作腔1內(nèi)的孔流向PDC閥。由于控制壓力(空氣彈簧壓力)及油液流過PDC閥的阻力變小，因而減振器阻尼力就減小。如圖15所示。

圖14 空氣彈簧壓力較大時(shí)減振器伸長過程示意圖

圖15 空氣彈簧壓力較小時(shí)減振器壓縮過程示意圖

④空氣彈簧壓力較大時(shí)的壓縮過程：由于控制壓力(空氣彈簧壓力)及油液流過PDC閥的阻力增大，大部分油液(取決于控制壓力)必須流過底閥，使得減振器阻尼力就增大。如圖16所示。

圖16 空氣彈簧壓力較大時(shí)減振器壓縮過程示意圖

綜上，通過空氣彈簧壓力控制減振器PDC閥油液流量，使車輛在部分負(fù)荷時(shí)有良好的乘坐舒適性，而在全負(fù)荷時(shí)又能保證車身運(yùn)動(dòng)獲得足夠的減振剛度。